Origin of the Subtle Oils in the Niuzhuang Sag
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摘要: 为了解析东营凹陷岩性油气藏的成因与成藏机理, 采用地球化学途径对岩性油气藏最为发育的牛庄洼陷的原油、不同层位烃源岩进行了详细的烃类化学成分分析与精细油源对比研究.牛庄洼陷以沙三中为主的岩性(含透镜体)及其相关油气藏原油普遍具有低Pr/Ph值(< 1)、相对较高的甾烷、伽玛蜡烷丰度等沙四上亚段烃源岩的特征, 与沙三中烃源岩(Pr/Ph > 1)无相关性, 与沙三下亚段烃源岩(Pr/Ph > 1、伽玛蜡烷含量低)也有明显的非相似性.沙三中亚段的岩性及其相关油气藏油气并非以沙三中为主力烃源岩, 而是表现出沙三下特别是沙四上亚段烃源岩的某些特性, 暗示以往所确认的透镜体等岩性油气藏极为发育的牛庄洼陷油气成因复杂, 油气成藏模式很难用传统的“自生自储”来描述.沙三中岩性油气藏中混合了相隔数百米的沙四段成因油气指示隐蔽油气运移通道的存在.Abstract: Detailed oil-oil, oil-source rock comparison according to the composition and distribution of hydrocarbons in the Niuzhuang sag was performed to unravel genetics and migration mechanism of the oil Results indicate that the oils analyzed are characterized by low ratios of Pr/Ph (< 1) and relative high concentration of steranes and gammaceranes, which are typical features of Es4 source rocks. No genetic relationship was observed between the oil and the middle interval of Es3 mudstones characterized by Pr/Ph>1 and low concentration of gammaceranes, and apparent dissimilarities were also observed between the oil and the low interval of Es3 mudstones. We suggested that the oils are mixed oils derived from the Es3L and Es4 mudstones, and there is no possibility of the Es3M to be the primary source rock for the oil. The results show that the traditional hydrocarbons migration and accumulation model for subtle oil pools especially sandy lens-shaped pools featured by short oil migration distance with hydrocarbons sourced from surrounding mudstones is unlikdy fit for the cases of this study. The mixing of the oils source from the Es4 with hundreds of meters under the Es3M oil pools probably indicates the existence of subtle oil migration pathways.
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0. 引言
一近弧形的东营中央背斜带边界断裂带相接，南部与东营凹陷南斜坡的王家岗-陈官庄断裂带相邻，牛庄洼陷位于东营凹陷东南部，其北部、西部与是东营凹陷岩性油气藏最为发育的洼陷之一.牛庄油田位于洼陷的近中央部位，主要产油层为沙三中、下储层，属低渗透油层.该油田是济阳凹陷地质储量近亿吨级的大型油田（高永进等，2004），已探明地质储量8 287万吨.很多学者都将牛庄洼陷作为典型的岩性油气藏发育区加以研究，内容包含岩性油气藏的含油气性与主控因素、砂岩透镜体的成藏特征、主控因素与形成机理等（曾溅辉等，2002；张俊等，2003；高永进等，2004；李丕龙等，2004）.但是，关于岩性及其相关油气藏的油气成因与运聚方面的分子地球化学研究较少，相关研究为隐蔽油气藏研究的重要环节.本文从地球化学角度解析牛庄洼陷油气特征与成因，为岩性等隐蔽油气藏形成机理的研究提供进一步的理论依据.
1. 样品与实验
米集牛庄油田原油23个、王家岗油田原油10个、牛庄洼陷-王家岗地区23口井的36个沙三中、上及沙四上亚段岩样作常规地球化学分析（表 1）. 八面河油田原油（20个）、桂源岩（8个）用于对比研究（Li et al., 2003；Pang et al.; 2003）.牛28（C砂体）、牛41（A砂体）、牛21（属牛18-D砂体）、王70-13井等为岩性油气藏原油；牛35等井多为岩性-断层油气藏原油.
表 1 牛庄油田原油基本地球化学参数Table Supplementary Table Basic geochemical parameters for the oils in the Niuzhuang oilfield
原油、岩样的氯仿抽提物采用常规柱色谱分离. 在岛津GG-9A型色谱仪和Fimiigatt-MAT TSQ-45型GC/MS系统上进行饱和烃色谱及饱和烃、芳烃色谱-质谱分析.分析前加入D4-C29甾烷、D8-二苯并噻吩、nC24D50标样.色谱条件: SE 54弹性熔硅毛细管柱（25 m × 0. 25 mm i. d.），以4 ℃/min的速率自100 ℃升至300℃，载气为氨气.色谱-质谱条件: 采用SE-54弹性熔硅毛细管柱（25 m × 0. 25 mm i. d.）, 载气为氨气，升温程序：以4 ℃/min的速率由100 ℃升至220 ℃再从220 ℃以2 ℃/min的速率升温到300 ℃质谱电离能量70 eV.
2. 原油地球化学特征
2.1 宏观地球化学特征
牛庄油田原油具有低密度（0. 852 3~ 0. 897 6 g · cm-3）.低粘度（7. 95 ~86. 3 MPa · s）及低硫（0. 26%~0. 55%）特征，与邻区王家岗、八面河油田的高硫特征具有显著差异（Pang et al., 2003）.原油饱和烃含量较高（均值57. 8%），其次为芳炷（均值22. 1%）、非炷（13. 8%），沥青质含量较低（6.3%）.原油饱和烃气相色谱参数CPEOEP分别为0. 93~1. 15.0. 97-1. 07, 多数接近1（表 1）；正构烷炷（nC21 +nC22）/（nC28 +nC29）多数分布范围为1.1~1. 89.上述原油物性、族组分与气相色谱特征反映牛庄原油为正常成熟油.
出乎意料的是，本研究分析的牛庄洼陷22个沙三中为主的原油Pr/Ph都小于1，除个别外，分布范围一般为0. 34~0. 59（均值0. 44）（表 1），该特征与邻近王家岗、八面河油田源自沙四上段的原油极其相似，而与沙三段桂源岩（Pr /Ph > 1）截然不同（Li et al., 2003；Pang et al., 2003；庞雄奇等, 2004）, 反映牛庄油田沙三段原油可能不完全来自沙三段，该洼陷岩性油气藏成藏模式（张俊等，2003；高永进等，2004）有待进一步确认.
2.2 當、菇类生物标志物特征
牛庄洼陷原油中當、菇类生物标志物丰富.原油中當类化合物具有相似的组成与分布特征，主要为C27 ~C29-规则甾烷，4-甲基甾烷、重排甾烷也相对发育，低分子量孕甾烷系列不太发育.原油4-甲基甾烷/C29-规则甾烷值高达0. 30~0.61（表 1），C29-重排心丁规则甾烷值为0. 124~0. 297. C27、C28、C29ααα20(R)异构体呈“V”字型，反映母源岩藻类等微生物生源的输入.當类化合物异构化程度较高，C29甾烷ααα20S/(S + R)值分布范围为0. 42~ 0. 52, C29甾烷αββ/(ααα+αββ)值分布范围为0.41 - 0. 55, 表明原油以正常成熟油为主.
原油中的菇类化合物主要为五环三菇类（图 1）, 三、四环菇类含量相对较低，C28三环菇烷/ C30-藿烷值为0. 019~0. 035（表 1）.原油中伽玛蜡烷相对较为发育，伽玛蜡烷/C30藿烷值分布范围为0. 12~0.53（均值0.30）.除少数样品外，沙三中、下亚段桂源岩中伽玛蜡烷总体不太发育（图l）（Li et al., 2003；Pang et al., 2003；庞雄奇等, 2004）, 沙三中炷源岩伽玛蜡烷/C30藿烷值多数小于0. 05, 沙三上亚段对应值为0. 03~0. 14.原油中甾烷/霍烷值为0. 32 -1. 06（均值0. 69），高于沙三中、下桂源岩（0. 23）.上述表明，原油与沙三中亚段炷源岩相关性差，与沙三下亚段相关性亦不甚好.早期研究普遍认为，牛庄油田原油为“沙三段”型原油（源自沙三段炷源岩）（张春荣，1989）.以上分析再次表明，牛庄油田油气成因并不简单.
图 1 牛庄洼陷部分原油、沙三段桂源岩饱和m/zl91质量色谱Fig. 1. m /zl91 mass fragmatograms for the oils and E53 rock extracts from the Niuzhuang sag3. 油源分析
长期以来，一直认为牛庄洼陷是东营凹陷岩性油气藏最为发育的洼陷，油气主要为沙三段成因.但原油桂类组成与分布的剖析表明牛庄油田油气成因可能较复杂.
牛庄油田多数原油埋深超过3 000 m, 原油成熟度相对较高，反映桂源岩已达到较高的热演化程度. 本研究采集的2 906~3 324 m沙三中桂源岩具有较高的CPI、OEP值，甾烷异构化参数与原油相关性较差（图 2）.沙三下烃源岩的热演化特征与沙三中有一定相似性，与沙四上亚段差异明显.埋深 > 2 700 m的沙四上亚段桂源岩开始接近成熟，但沙三下亚段热演化相对滞后，C29甾烷αββ/(ααα+αββ) 表现得最为明显（图 2d），这可能与生源及成姪环境有关.与邻近王家岗、八面河原油相比，牛庄原油成熟偏高（图 2）.对比CPI、OEP与甾烷异构化参数，初步判断本区原油甾烷异构化参数受初次运移分馏效应的影响较小.成熟度对比显示，埋深大于2 700 m的沙四段炷源岩、埋深超过3 000 m甚至更深的沙三下桂源岩为牛庄原油可能的主力桂源岩.
图 2 牛庄油田及邻区原油及桂源岩的热成熟度对比Fig. 2. Oil source rock correlation for the Niuzhuang and adjacent oils and source rocks based on maturity parametersPr/nC17与 Ph/nC18相关图显示（图 3a）, 牛庄洼陷、王家岗及八面河油田原油聚类相关，上述原油与沙四段炷源岩似乎更有亲缘关系.Pr/Ph与DPT/P (二苯并噻吩/菲)相关图揭示（图 3b）, 牛庄油田原油与沙四段桂源岩具有无可置疑的成因联系，而沙三中、下桂源岩因具有较高的Pr/Ph值（>1）与牛庄等原油几乎无相关性.以上对比至少表明，牛庄原油饱和炷中相当量组分特别是链烷炷主要来自沙四段炷源岩.
反映炷源岩原始沉积环境的另一重要参数三茹系列的相对含量进一步显示，沙三中桂源岩非牛庄油田原油的有效桂源岩，其具有较高的氧谢含量，反映偏氧化性原始沉积环境.牛庄油田原油与沙四上、沙三下亚段桂源岩可能有成因联系.
正如前文指出，牛庄原油中检测到相当量的伽玛蜡烷，除个别岩样外（不排除靠近断层的裂缝运移桂侵染），沙三中、下桂源岩中该化合物含量甚微（图 1，图 4）.沙四上亚段炷源岩中伽玛蜡烷相对含量较高，特别是埋藏相对浅、成熟度不太高的烃源岩（Li et al., 2004；李素梅等，2005）.与之相对应，位于牛庄洼陷南斜坡构造高部位的八面河油田原油具有较高的伽玛蜡烷含量，伽玛蜡烷/C30藿烷值为0. 656-1. 042, 反映一定量未熟-低熟沙四段成因桂类的贡献（Li et al., 2003；Pang et al., 2003；庞雄奇等，2004）.处于牛庄洼陷与其斜坡带过渡地带的王家岗油田原油中伽玛蜡烷丰度变化范围较大，但仍远高于沙三段烃源岩（图 4b）, 反映深层沙四段桂源岩的贡献.
图 4 牛庄洼陷原油、炷源岩生物标志物分布特征Fig. 4. Characteristics of the biomarkers in the oils and mudstones in the Niuzhuang sag甾烷、藿烷相对比值是与成熟度及生源相关的参数，图 4a显示不同成熟度原油及沙四段桂源岩C29甾烷/C30烷分布范围较宽，但沙三中、下桂源岩变化不大，反映當类化合物的生物先质如藻类微生物输入不及沙四段.较之于沙四段桂源岩，牛庄原油中相对较高的當类化合物表明沙四段烃源岩有所贡献.此外，2XC24-四环/C29-三环菇烷清楚地反映牛庄原油与沙四段烃源岩较好的相关性（图 4b）.
研究区具有层位标定意义的生物标志物或参数（如Pr/Ph等）几乎一致显示牛庄油田原油中沙四段桂源岩的贡献，而预测可能为主力桂源岩的沙三段的成桂贡献标志物反而不太突出.从牛庄与部分王家岗原油中4-甲基甾烷/C29-规则甾烷稍有优势（图 4a）, 与沙三下炷源岩相对较高的4-甲基甾烷含量较为吻合，可判断沙三下桂源岩也是有成姪贡献的.另外，从牛庄原油的低硫而八面河、王家岗原油的相对高硫特性来看，似乎不能排除牛庄原油中沙三段坯源岩的贡献.
上述研究表明，牛庄油田原油中普遍含有沙四段桂源岩所生的炷类（如饱和炷中链烷桂及當菇类），由于成熟度、可能的相变因素，斜坡带与深洼带沙四段桂源岩所生桂性质会有所变化；由于不同桂源岩相同演化阶段、同一桂源岩不同演化阶段所生桂性质均有变化，牛庄油田原油中沙三下、沙四段桂源岩的相对贡献量尚难下定论，相关研究有待深入.
4. 结论
（1）油-油、油源对比表明，牛庄油田原油的低Pr/Ph、低c24-四环/C26-三环菇烷值、相对于沙三段桂源岩较高的伽玛蜡烷与甾烷含量等特征与沙四上亚段咸水相成因桂源岩相似，表明两者具有成因联系；原油相对于沙四段烃源岩偏高的4-甲基甾烷含量表明以较高4-甲基甾烷丰度为特征的沙三下段桂源岩有所贡献; 多项重要地化指标反映沙三中炷源岩对牛庄原油的贡献甚微.牛庄油田原油的物性及炷类组成特征反映其为沙三下、沙四上亚段的混源油.（2）牛庄油田沙三段原油与沙三段炷源岩非一一对应的亲缘关系，表明牛庄洼陷“岩性油气藏”可能并非自生自储为主，牛庄洼陷隐蔽油气藏的成藏模式与机理有待进一步研究.（3）牛庄油田原油中普遍混有沙四段成因炷类表明，牛庄洼陷中沙四段有利炷源岩发育，只要运移条件允许完全可为斜坡带的王家岗、八面河油田供油，这与先前关于牛庄洼陷南斜坡油气主要来自牛庄洼陷相对成熟的桂源岩的结论相吻合.
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图 1 牛庄洼陷部分原油、沙三段桂源岩饱和m/zl91质量色谱
Fig. 1. m /zl91 mass fragmatograms for the oils and E53 rock extracts from the Niuzhuang sag
图 2 牛庄油田及邻区原油及桂源岩的热成熟度对比
Fig. 2. Oil source rock correlation for the Niuzhuang and adjacent oils and source rocks based on maturity parameters
图 4 牛庄洼陷原油、炷源岩生物标志物分布特征
Fig. 4. Characteristics of the biomarkers in the oils and mudstones in the Niuzhuang sag
表 1 牛庄油田原油基本地球化学参数
Table 1. Basic geochemical parameters for the oils in the Niuzhuang oilfield
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